JDK 原始碼閱讀 Reference

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來源：木杉的部落格 ，

imushan.com/2018/08/19/java/language/JDK原始碼閱讀-Reference/

Java最初只有普通的強取用，只有物件存在取用，則物件就不會被回收，即使記憶體不足，也是如此，JVM會爆出OOME，也不會去回收存在取用的物件。

如果只提供強取用，我們就很難寫出“這個物件不是很重要，如果記憶體不足GC回收掉也是可以的”這種語意的程式碼。Java在1.2版本中完善了取用體系，提供了4中取用型別：強取用，軟取用，弱取用，虛取用。使用這些取用型別，我們不但可以控制垃圾回收器對物件的回收策略，同時還能在物件被回收後得到通知，進行相應的後續操作。

取用與可達性分類

Java目前有4中取用型別：

1. 強取用(Strong Reference)：普通的的取用型別，new一個物件預設得到的取用就是強取用，只要物件存在強取用，就不會被GC。

2. 軟取用(Soft Reference)：相對較弱的取用，垃圾回收器會在記憶體不足時回收弱取用指向的物件。JVM會在丟擲OOME前清理所有弱取用指向的物件，如果清理完還是記憶體不足，才會丟擲OOME。所以軟取用一般用於實現記憶體敏感快取。

3. 弱取用(Weak Reference)：更弱的取用型別，垃圾回收器在GC時會回收此物件，也可以用於實現快取，比如JDK提供的WeakHashMap。

4. 虛取用(Phantom Reference)：一種特殊的取用型別，不能透過虛取用獲取到關聯物件，只是用於獲取物件被回收的通知。

相較於傳統的取用計數演演算法，Java使用可達性分析來判斷一個物件是否存活。其基本思路是從GC Root開始向下搜尋，如果物件與GC Root之間存在取用鏈，則物件是可達的。物件的可達性與取用型別密切相關。Java有5中型別的可達性：

1. 強可達(Strongly Reachable)：如果執行緒能透過強取用訪問到物件，那麼這個物件就是強可達的。

2. 軟可達(Soft Reachable)：如果一個物件不是強可達的，但是可以透過軟取用訪問到，那麼這個物件就是軟可達的

3. 弱可達(Weak Reachable)：如果一個物件不是強可達或者軟可達的，但是可以透過弱取用訪問到，那麼這個物件就是弱可達的。

4. 虛可達(Phantom Reachable)：如果一個物件不是強可達，軟可達或者弱可達，並且這個物件已經finalize過了，並且有虛取用指向該物件，那麼這個物件就是虛可達的。

5. 不可達(Unreachable)：如果物件不能透過上述的幾種方式訪問到，則物件是不可達的，可以被回收。

物件的取用型別與可達性聽著有點亂，好像是一回事，我們這裡實體分析一下：

上面這個例子中，A~D，每個物件只存在一個取用，分別是：A-強取用，B-軟取用，C-弱取用，D-虛取用，所以他們的可達性為：A-強可達，B-軟可達，C-弱可達，D-虛可達。因為E沒有存在和GC Root的取用鏈，所以它是不可達。

在看一個複雜的例子：

• A依然只有一個強取用，所以A是強可達

• B存在兩個取用，強取用和軟取用，但是B可以透過強取用訪問到，所以B是強可達

• C只能透過弱取用訪問到，所以是弱可達

• D存在弱取用和虛取用，所以是弱可達

• E雖然存在F的強取用，但是GC Root無法訪問到它，所以它依然是不可達。

同時可以看出，物件的可達性是會發生變化的，隨著執行時取用物件的取用型別的變化，可達性也會發生變化，可以參考下圖：

Reference總體結構

Reference類是所有取用型別的基類，Java提供了具體取用型別的具體實現：

• SoftReference：軟取用，堆記憶體不足時，垃圾回收器會回收對應取用

• WeakReference：弱取用，每次垃圾回收都會回收其取用

• PhantomReference：虛取用，對取用無影響，只用於獲取物件被回收的通知

• FinalReference：Java用於實現finalization的一個內部類

因為預設的取用就是強取用，所以沒有強取用的Reference實現類。

Reference的核心

Java的多種取用型別實現，不是透過擴充套件語法實現的，而是利用類實現的，Reference類表示一個取用，其核心程式碼就是一個成員變數reference：

public abstract class Reference {

    private T referent; // 會被GC特殊對待

 

    // 獲取Reference管理的物件

    public T get() {

        return this.referent;

    }

 

    // …

}

如果JVM沒有對這個變數做特殊處理，它依然只是一個普通的強取用，之所以會出現不同的取用型別，是因為JVM垃圾回收器硬編碼識別SoftReference，WeakReference，PhantomReference等這些具體的類，對其reference變數進行特殊物件，才有了不同的取用型別的效果。

上文提到了Reference及其子類有兩大功能：

1. 實現特定的取用型別

2. 使用者可以物件被回收後得到通知

第一個功能已經解釋過了，第二個功能是如何做到的呢？

一種思路是在新建一個Reference實體是，新增一個回呼，當java.lang.ref.Reference#referent被回收時，JVM呼叫該回呼，這種思路比較符合一般的通知模型，但是對於取用與垃圾回收這種底層場景來說，會導致實現複雜，效能不高的問題，比如需要考慮在什麼執行緒中執行這個回呼，回呼執行阻塞怎麼辦等等。

所以Reference使用了一種更加原始的方式來做通知，就是把取用物件被回收的Reference新增到一個佇列中，使用者後續自己去從佇列中獲取並使用。

理解了設計後對應到程式碼上就好理解了，Reference有一個queue成員變數，用於儲存取用物件被回收的Reference實體：

public abstract class Reference {

    // 會被GC特殊對待

    private T referent; 

    // reference被回收後，當前Reference實體會被新增到這個佇列中

    volatile ReferenceQueue super T> queue;

 

    // 只傳入reference的建構式，意味著使用者只需要特殊的取用型別，不關心物件何時被GC

    Reference(T referent) {

        this(referent, null);

    }

 

    // 傳入referent和ReferenceQueue的建構式，reference被回收後，會新增到queue中

    Reference(T referent, ReferenceQueue super T> queue) {

        this.referent = referent;

        this.queue = (queue == null) ? ReferenceQueue.NULL : queue;

    }

 

    // …

}

Reference的狀態

Reference物件是有狀態的。一共有4中狀態：

1. Active：新建立的實體的狀態，由垃圾回收器進行處理，如果實體的可達性處於合適的狀態，垃圾回收器會切換實體的狀態為Pending或者Inactive。如果Reference註冊了ReferenceQueue，則會切換為Pending，並且Reference會加入pending-Reference連結串列中，如果沒有註冊ReferenceQueue，會切換為Inactive。

2. Pending：在pending-Reference連結串列中的Reference的狀態，這些Reference等待被加入ReferenceQueue中。

3. Enqueued：在ReferenceQueue佇列中的Reference的狀態，如果Reference從佇列中移除，會進入Inactive狀態

4. Inactive：Reference的最終狀態

Reference物件圖如下：

除了上文提到的ReferenceQueue，這裡出現了一個新的資料結構：pending-Reference。這個連結串列是用來乾什麼的呢？

上文提到了，reference取用的物件被回收後，該Reference實體會被新增到ReferenceQueue中，但是這個不是垃圾回收器來做的，這個操作還是有一定邏輯的，如果垃圾回收器還需要執行這個操作，會降低其效率。從另外一方面想，Reference實體會被新增到ReferenceQueue中的實效性要求不高，所以也沒必要在回收時立馬加入ReferenceQueue。

所以垃圾回收器做的是一個更輕量級的操作：把Reference新增到pending-Reference連結串列中。Reference物件中有一個pending成員變數，是靜態變數，它就是這個pending-Reference連結串列的頭結點。要組成連結串列，還需要一個指標，指向下一個節點，這個對應的是java.lang.ref.Reference#discovered這個成員變數。

可以看一下程式碼：

public abstract class Reference {

    // 會被GC特殊對待

    private T referent; 

    // reference被回收後，當前Reference實體會被新增到這個佇列中

    volatile ReferenceQueue super T> queue; 

 

    // 全域性唯一的pending-Reference串列

    private static Reference

 

    // Reference為Active：由垃圾回收器管理的已發現的取用串列(這個不在本文討論訪問內)

    // Reference為Pending：在pending串列中的下一個元素，如果沒有為null

    // 其他狀態：NULL

    transient private Reference discovered;  /* used by VM */

    // …

}

ReferenceHandler執行緒

透過上文的討論，我們知道一個Reference實體化後狀態為Active，其取用的物件被回收後，垃圾回收器將其加入到pending-Reference連結串列，等待加入ReferenceQueue。這個過程是如何實現的呢？

這個過程不能對垃圾回收器產生影響，所以不能在垃圾回收執行緒中執行，也就需要一個獨立的執行緒來負責。這個執行緒就是ReferenceHandler，它定義在Reference類中：

// 用於控制垃圾回收器操作與Pending狀態的Reference入隊操作不衝突執行的全域性鎖

// 垃圾回收器開始一輪垃圾回收前要獲取此鎖

// 所以所有佔用這個鎖的程式碼必須儘快完成，不能生成新物件，也不能呼叫使用者程式碼

static private class Lock { };

private static Lock lock = new Lock();

 

private static class ReferenceHandler extends Thread {

 

    ReferenceHandler(ThreadGroup g, String name) {

        super(g, name);

    }

 

    public void run() {

        // 這個執行緒一直執行

        for (;;) {

            Reference

            // 獲取鎖，避免與垃圾回收器同時操作

            synchronized (lock) {

                // 判斷pending-Reference連結串列是否有資料

                if (pending != null) {

                    // 如果有Pending Reference，從串列中取出

                    r = pending;

                    pending = r.discovered;

                    r.discovered = null;

                } else {

                    // 如果沒有Pending Reference，呼叫wait等待

                    // 

                    // wait等待鎖，是可能丟擲OOME的，

                    // 因為可能發生InterruptedException異常，然後就需要實體化這個異常物件，

                    // 如果此時記憶體不足，就可能丟擲OOME，所以這裡需要捕獲OutOfMemoryError，

                    // 避免因為OOME而導致ReferenceHandler行程靜默退出

                    try {

                        try {

                            lock.wait();

                        } catch (OutOfMemoryError x) { }

                    } catch (InterruptedException x) { }

                    continue;

                }

            }

 

            // 如果Reference是Cleaner，呼叫其clean方法

            // 這與Cleaner機制有關係，不在此文的討論訪問

            if (r instanceof Cleaner) {

                ((Cleaner)r).clean();

                continue;

            }

 

            // 把Reference新增到關聯的ReferenceQueue中

            // 如果Reference構造時沒有關聯ReferenceQueue，會關聯ReferenceQueue.NULL，這裡就不會進行入隊操作了

            ReferenceQueue

            if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);

        }

    }

}

ReferenceHandler執行緒是在Reference的static塊中啟動的：

static {

    // 獲取system ThreadGroup

    ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();

    for (ThreadGroup tgn = tg;

         tgn != null;

         tg = tgn, tgn = tg.getParent());

    Thread handler = new ReferenceHandler(tg, “Reference Handler”);

 

    // ReferenceHandler執行緒有最高優先順序

    handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);

    handler.setDaemon(true);

    handler.start();

}

綜上，ReferenceHandler是一個最高優先順序的執行緒，其邏輯是從Pending-Reference連結串列中取出Reference，新增到其關聯的Reference-Queue中。

ReferenceQueue

Reference-Queue也是一個連結串列：

public class ReferenceQueue {

    private volatile Reference extends T> head = null;

    // …

}

// ReferenceQueue中的這個鎖用於保護連結串列佇列在多執行緒環境下的正確性

static private class Lock { };

private Lock lock = new Lock();

 

boolean enqueue(Reference extends T> r) { /* Called only by Reference class */

    synchronized (lock) {

        // 判斷Reference是否需要入隊

        ReferenceQueue > queue = r.queue;

        if ((queue == NULL) || (queue == ENQUEUED)) {

            return false;

        }

        assert queue == this;

 

        // Reference入隊後，其queue變數設定為ENQUEUED

        r.queue = ENQUEUED;

        // Reference的next變數指向ReferenceQueue中下一個元素

        r.next = (head == null) ? r : head;

        head = r;

        queueLength++;

        if (r instanceof FinalReference) {

            sun.misc.VM.addFinalRefCount(1);

        }

        lock.notifyAll();

        return true;

    }

}

 

透過上面的程式碼，可以知道java.lang.ref.Reference#next的用途了：

public abstract class Reference {

    /* When active:   NULL

     *     pending:   this

     *    Enqueued:   指向ReferenceQueue中的下一個元素，如果沒有，指向this

     *    Inactive:   this

     */

    Reference next;

 

    // …

}

總結

一個使用Reference+ReferenceQueue的完整流程如下：

參考資料

• Java Reference詳解 – robin-yao的個人頁面 – 開源中國

  https://my.oschina.net/robinyao/blog/829983

• Internals of Java Reference Object

  http://www.javarticles.com/2016/10/internals-of-java-reference-object.html

• java.lang.ref (Java Platform SE 7 )

  https://docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/lang/ref/package-summary.html#reachability

• Java Reference Objects

  http://www.kdgregory.com/index.php?page=java.refobj

• Java核心技術36講 第4講

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